L’influence d’une surface nanoporeuse de titane sur l’activité de cellules ostéoblastiques

Abstract

Afin d’améliorer la performance et l’intégration des biomatériaux dans le tissu hôte, l’intérêt actuel est d’exploiter des approches de nanotechnologie pour produire des biomatériaux possédant des surfaces bioactives. Il est connu que l’interaction des cellules avec la surface des biomatériaux détermine la réponse du tissu hôte et le succès d’un implant. La topographie est l'un des principaux facteurs influençant l'activité fonctionnelle des cellules en contact avec des biomatériaux. Cependant, les mécanismes impliqués demeurent imprécis. Notre groupe a exploité un traitement chimique simple afin de créer des surfaces de titane nanoporeuses uniques qui expriment une influence cellulaire sélective, favorisant ainsi la formation osseuse in vivo et in vitro. Dans ce travail, nous avons réduit la durée du traitement afin d’obtenir une surface nanotopographique mono-planaire, puis évaluer l’influence d’une telle surface sur la formation par des cellules pré-ostéoblastiques MC3T3-E1 d’adhésions focales et de filopodes, ainsi que sur l’expression de gènes codant pour différentes protéines associées à l’adhésion et la signalisation cellulaire. Des disques de titane commercialement pur (cp-Ti) ont été traités avec un mélange d’acide sulfurique et de peroxyde d’hydrogène (50/50 v/v) pendant 1.5 heures. La caractérisation par microscopie électronique à balayage à haute résolution et pour microscopie à force atomique a confirmé la formation d’une surface effectivement mono-planaire caractérisée par des nanopores d’une taille moyenne de 20 ± 5 nm. Les cellules ont été mises en culture pour des périodes de 6, 24 et 72 heures sur des disques contrôles polis et avec une surface nanoporeuse. L'analyse de l’expression de la vinculine par immunofluorescence a révélé un plus grand nombre d’adhésions focales par les cellules sur la surface traitée. Le PCR quantitatif a également montré une augmentation significative de l'expression des gènes pour différents marqueurs d'adhésions focales, telles que paxilline, taline, et différentes intégrines comme par exemple les intégrines α1, β1 et α5. Par microscopie électronique à balayage, les cellules sur la surface nanoporeuse révèlent une présence plus importante de filopodes vis à vis des surfaces contrôles. Ces structures affichent de manière unique de très petites protrusions membranaires latérales d’entre 10-15 nm qui suivent les bords des nanopores. L’augmentation des adhésions focales, l'abondance des filopodes et de leurs petites protrusions pourraient engendre interaction accrue avec la surface et modifier les relations biomécaniques à l’échelle nanométrique pour déclencher des cascade régulant la prolifération cellulaire.

To improve the performance and integration of biomaterials in the host tissue, the focus is presently on exploiting nanotechnology approaches to produce biomaterials with bioactive surfaces. It is known that the cell-biomaterial interactions determine the response of the host tissue and therefore the success of implants. Topography is a key factor that influences the functional activity of cells; however, the mechanisms implicated remain unclear. Our group has exploited a simple chemical treatment to create unique nanoporous titanium surfaces that selectively influence cell behaviour and favor osteogenic activity both in vitro and in vivo. In this work, we have reduced treatment time in order to obtain a monoplanar nanostructured surface, and we have evaluated its influence on the formation of focal adhesions, filopodia, and on gene expression for different cell adhesion and signaling proteins by MC3T3-E1 pre-osteoblastic cells. Commercially pure titanium (cp-Ti) was treated with a mixture of H2SO4/H2O2 (50/50 v/v) for 1.5h. Characterization by high-resolution field-emission scanning electron microscopy and atomic force microscopy characterization showed the formation of a nanoporous surface with a mean pore diameter of 20 ± 5 nm. Cells were cultured and plated on polished (control) and nanotextured discs for periods of 6, 24 and 72 hours. Immunofluorescence analysis of vinculin expression revealed the formation of more focal adhesions by cells seeded on nanostructured surfaces. Quantitative PCR likewise showed significant increase of gene expression for various focal adhesion markers, including paxillin, talin, and different integrins such as integrin α1, β1 and α5. As compared to controls, scanning electron microscopy of cells on the treated surface revealed the presence of more filopodia. These uniquely displayed very small lateral membrane protrusions between 10-15 nm that appeared to follow the walls of the nanopores. Together with the increase in focal adhesions, the abundance of filopodia and associated protrusions could contribute to the adhesive interaction with the surface and modify the nanoscale biomechanical relationships to trigger cellular cascades regulating cell proliferation.